RAM magnetorresistiva - Magnetoresistive RAM

"MRAM" vuelve a dirigir aquí. Para conocer la agencia gubernamental de Mongolia, consulte la Autoridad de Recursos Minerales de Mongolia .
Tipos de almacenamiento de datos y memoria de computadora
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Óptico
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Histórico

La memoria magnetorresistiva de acceso aleatorio ( MRAM ) es un tipo de memoria de acceso aleatorio no volátil que almacena datos en dominios magnéticos . Desarrollado a mediados de la década de 1980, los defensores han argumentado que la RAM magnetorresistiva eventualmente superará a las tecnologías competidoras para convertirse en una memoria dominante o incluso universal . Actualmente, las tecnologías de memoria en uso, como flash RAM y DRAM, tienen ventajas prácticas que hasta ahora han mantenido a MRAM en un nicho de mercado.

Descripción

Estructura simplificada de una celda MRAM

A diferencia de las tecnologías de chips RAM convencionales , los datos en MRAM no se almacenan como cargas eléctricas o flujos de corriente, sino mediante elementos de almacenamiento magnéticos . Los elementos están formados por dos placas ferromagnéticas , cada una de las cuales puede contener una magnetización, separadas por una fina capa aislante. Una de las dos placas es un imán permanente ajustado a una polaridad particular; La magnetización de la otra placa se puede cambiar para que coincida con la de un campo externo para almacenar memoria. Esta configuración se conoce como unión de túnel magnético y es la estructura más simple para un bit MRAM . Un dispositivo de memoria se construye a partir de una cuadrícula de tales "celdas".

El método de lectura más simple se logra midiendo la resistencia eléctrica de la celda. Una celda en particular se selecciona (típicamente) alimentando un transistor asociado que cambia la corriente desde una línea de suministro a través de la celda a tierra. Debido a la magnetorresistencia del túnel , la resistencia eléctrica de la celda cambia con la orientación relativa de la magnetización en las dos placas. Midiendo la corriente resultante, se puede determinar la resistencia dentro de cualquier celda en particular y, a partir de esto, la polaridad de magnetización de la placa grabable. Normalmente, si las dos placas tienen la misma alineación de magnetización (estado de baja resistencia), se considera que significa "1", mientras que si la alineación es antiparalela, la resistencia será mayor (estado de alta resistencia) y esto significa "0".

Los datos se escriben en las celdas utilizando una variedad de medios. En el diseño "clásico" más simple, cada celda se encuentra entre un par de líneas de escritura dispuestas en ángulo recto entre sí, paralelas a la celda, una arriba y otra debajo de la celda. Cuando la corriente pasa a través de ellos, se crea un campo magnético inducido en la unión, que recoge la placa grabable. Este patrón de funcionamiento es similar a la memoria de núcleo magnético , un sistema comúnmente utilizado en la década de 1960. Sin embargo, este enfoque requiere una corriente bastante sustancial para generar el campo, lo que lo hace menos interesante para usos de baja potencia, una de las principales desventajas de MRAM. Además, a medida que se reduce el tamaño del dispositivo, llega un momento en que el campo inducido se superpone a las celdas adyacentes en un área pequeña, lo que conduce a posibles falsas escrituras. Este problema, el problema de media selección (o alteración de escritura), parece establecer un tamaño mínimo bastante grande para este tipo de celda. Una solución experimental a este problema fue utilizar dominios circulares escritos y leídos utilizando el efecto magnetorresistivo gigante , pero parece que esta línea de investigación ya no está activa.

Una técnica más nueva, el torque de transferencia de espín (STT) o la conmutación de transferencia de espín, utiliza electrones alineados por espín ("polarizados") para torquear directamente los dominios. Específicamente, si los electrones que fluyen hacia una capa tienen que cambiar su giro, esto desarrollará un par que se transferirá a la capa cercana. Esto reduce la cantidad de corriente necesaria para escribir las celdas, por lo que es aproximadamente el mismo que el proceso de lectura. Existe la preocupación de que el tipo "clásico" de celda MRAM tendrá dificultades a altas densidades debido a la cantidad de corriente necesaria durante las escrituras, un problema que evita STT. Por esta razón, los proponentes de STT esperan que la técnica se utilice para dispositivos de 65 nm y menores. La desventaja es la necesidad de mantener la coherencia de giro. En general, el STT requiere mucha menos corriente de escritura que el MRAM convencional o alterno. La investigación en este campo indica que la corriente STT se puede reducir hasta 50 veces mediante el uso de una nueva estructura compuesta. Sin embargo, el funcionamiento a mayor velocidad aún requiere una corriente más alta.

Otros arreglos potenciales incluyen el "MRAM de transporte vertical" (VMRAM), que utiliza corriente a través de una columna vertical para cambiar la orientación magnética, un arreglo geométrico que reduce el problema de perturbación de la escritura y, por lo tanto, puede usarse a mayor densidad.

Un artículo de revisión proporciona los detalles de los materiales y los desafíos asociados con MRAM en la geometría perpendicular. Los autores describen un nuevo término llamado "Pentalemma", que representa un conflicto en cinco requisitos diferentes, como la corriente de escritura, la estabilidad de los bits, la legibilidad, la velocidad de lectura / escritura y la integración del proceso con CMOS. Se discute la selección de materiales y el diseño de MRAM para cumplir con esos requisitos.

Comparación con otros sistemas

Densidad

El principal determinante del costo de un sistema de memoria es la densidad de los componentes que se utilizan para componerlo. Los componentes más pequeños, y menos de ellos, significan que se pueden empaquetar más "células" en un solo chip, lo que a su vez significa que se pueden producir más a la vez a partir de una sola oblea de silicio. Esto mejora el rendimiento, que está directamente relacionado con el costo.

La DRAM utiliza un pequeño condensador como elemento de memoria, cables para transportar corriente hacia y desde él y un transistor para controlarlo, lo que se conoce como celda "1T1C". Esto hace que la DRAM sea la RAM de mayor densidad disponible actualmente y, por lo tanto, la menos costosa, razón por la cual se utiliza para la mayoría de la RAM que se encuentra en las computadoras.

MRAM es físicamente similar a DRAM en su composición y, a menudo, requiere un transistor para la operación de escritura (aunque no es estrictamente necesario). El escalado de transistores a una densidad más alta conduce necesariamente a una corriente disponible más baja, lo que podría limitar el rendimiento de MRAM en nodos avanzados.

El consumo de energía

Dado que los condensadores usados ​​en DRAM pierden su carga con el tiempo, los ensambles de memoria que usan DRAM deben actualizar todas las celdas en sus chips varias veces por segundo, leyendo cada una y reescribiendo su contenido. A medida que las celdas DRAM disminuyen de tamaño, es necesario actualizar las celdas con más frecuencia, lo que resulta en un mayor consumo de energía.

Por el contrario, MRAM nunca requiere una actualización. Esto significa que no solo retiene su memoria con la energía apagada, sino que tampoco hay un consumo de energía constante. Si bien el proceso de lectura en teoría requiere más potencia que el mismo proceso en una DRAM, en la práctica la diferencia parece ser muy cercana a cero. Sin embargo, el proceso de escritura requiere más potencia para superar el campo existente almacenado en la unión, variando de tres a ocho veces la potencia requerida durante la lectura. Aunque la cantidad exacta de ahorro de energía depende de la naturaleza del trabajo (una escritura más frecuente requerirá más energía), en general, los defensores de MRAM esperan un consumo de energía mucho menor (hasta un 99% menos) en comparación con DRAM. Los MRAM basados ​​en STT eliminan la diferencia entre lectura y escritura, lo que reduce aún más los requisitos de energía.

También vale la pena comparar MRAM con otro sistema de memoria común: la memoria RAM flash . Al igual que MRAM, la memoria flash no pierde su memoria cuando se corta la energía, lo que la hace muy común en aplicaciones que requieren almacenamiento persistente. Cuando se usa para lectura, flash y MRAM son muy similares en cuanto a requisitos de energía. Sin embargo, el flash se reescribe utilizando un gran pulso de voltaje (aproximadamente 10 V) que se almacena con el tiempo en una bomba de carga , que consume mucha energía y mucho tiempo. Además, el pulso de corriente degrada físicamente las celdas de flash, lo que significa que el flash solo se puede escribir un número finito de veces antes de que deba reemplazarse.

Por el contrario, MRAM requiere solo un poco más de energía para escribir que para leer y no cambia el voltaje, lo que elimina la necesidad de una bomba de carga. Esto conduce a un funcionamiento mucho más rápido, un menor consumo de energía y una vida útil indefinidamente larga.

Retención de datos

MRAM a menudo se promociona como una memoria no volátil. Sin embargo, el MRAM de alta capacidad actual, la memoria de par de transferencia de giro, proporciona una retención mejorada a costa de un mayor consumo de energía, es decir , una mayor corriente de escritura. En particular, la corriente de escritura crítica (mínima) es directamente proporcional al factor de estabilidad térmica Δ. La retención es a su vez proporcional a exp (Δ). Por lo tanto, la retención se degrada exponencialmente con una corriente de escritura reducida.

Velocidad

El rendimiento de la memoria dinámica de acceso aleatorio (DRAM) está limitado por la velocidad a la que la carga almacenada en las celdas se puede drenar (para leer) o almacenar (para escribir). El funcionamiento de MRAM se basa en la medición de voltajes en lugar de cargas o corrientes, por lo que se necesita menos "tiempo de estabilización". Los investigadores de IBM han demostrado dispositivos MRAM con tiempos de acceso del orden de 2 ns, algo mejor que incluso las DRAM más avanzadas creadas en procesos mucho más nuevos. Un equipo del Physikalisch-Technische Bundesanstalt alemán ha demostrado dispositivos MRAM con tiempos de asentamiento de 1 ns, mejores que los límites teóricos actualmente aceptados para DRAM, aunque la demostración fue de una sola celda. Las diferencias en comparación con el flash son mucho más significativas, con velocidades de escritura miles de veces más rápidas. Sin embargo, estas comparaciones de velocidad no son para corrientes comparables. La memoria de alta densidad requiere pequeños transistores con corriente reducida, especialmente cuando se construye para bajas fugas en espera. En tales condiciones, es posible que no se alcancen tan fácilmente tiempos de escritura inferiores a 30 ns. En particular, para lograr una estabilidad de reflujo de soldadura de 260 ° C durante 90 segundos, se han requerido impulsos de 250 ns. Esto está relacionado con el elevado requisito de estabilidad térmica que aumenta la tasa de errores de bits de escritura. Para evitar la ruptura de una corriente más alta, se necesitan pulsos más largos.

Para el STT MRAM perpendicular, el tiempo de conmutación está determinado en gran medida por la estabilidad térmica Δ así como por la corriente de escritura. Un Δ mayor (mejor para la retención de datos) requeriría una corriente de escritura mayor o un pulso más largo. Una combinación de alta velocidad y retención adecuada solo es posible con una corriente de escritura suficientemente alta.

La única tecnología de memoria actual que compite fácilmente con MRAM en términos de rendimiento a una densidad comparable es la memoria estática de acceso aleatorio (SRAM). SRAM consta de una serie de transistores dispuestos en un flip-flop , que mantendrá uno de dos estados mientras se aplique energía. Dado que los transistores tienen un requisito de potencia muy bajo, su tiempo de conmutación es muy bajo. Sin embargo, dado que una celda SRAM consta de varios transistores, normalmente cuatro o seis, su densidad es mucho menor que la de DRAM. Esto lo hace caro, por lo que se usa solo para pequeñas cantidades de memoria de alto rendimiento, en particular la memoria caché de la CPU en casi todos los diseños modernos de unidades centrales de procesamiento .

Aunque MRAM no es tan rápido como SRAM, está lo suficientemente cerca como para ser interesante incluso en este papel. Dada su densidad mucho mayor, un diseñador de CPU puede inclinarse a usar MRAM para ofrecer una caché mucho más grande pero algo más lenta, en lugar de una más pequeña pero más rápida. Queda por ver cómo se desarrollará esta compensación en el futuro.

Aguante

La resistencia de MRAM se ve afectada por la corriente de escritura, al igual que la retención y la velocidad, así como por la corriente de lectura. Cuando la corriente de escritura es lo suficientemente grande para la velocidad y la retención, se debe considerar la probabilidad de ruptura de MTJ. Si la relación de corriente de lectura / corriente de escritura no es lo suficientemente pequeña, es más probable que se produzcan perturbaciones en la lectura, es decir, se produce un error de lectura durante uno de los muchos ciclos de conmutación. La tasa de error de perturbación de lectura viene dada por 1 - exp (- (t read / τ) / exp (Δ (1- (I read / I crit )))), donde τ es el tiempo de relajación (1 ns) y I crit es la corriente de escritura crítica. Una mayor resistencia requiere una lectura / crítica suficientemente baja . Sin embargo, una lectura más baja también reduce la velocidad de lectura.

En general

MRAM tiene un rendimiento similar a SRAM, habilitado por el uso de suficiente corriente de escritura. Sin embargo, esta dependencia de la corriente de escritura también hace que sea un desafío competir con la densidad más alta comparable a la DRAM y Flash convencionales. Sin embargo, existen algunas oportunidades para MRAM donde no es necesario maximizar la densidad. Desde un punto de vista de la física fundamental, el enfoque de torque de transferencia de espín de MRAM está ligado a un "rectángulo de muerte" formado por los requisitos de retención, resistencia, velocidad y potencia, como se mencionó anteriormente.

Nivel de parámetro de diseño Retencion Aguante Velocidad Poder
Corriente de escritura alta + - (desglose) + -
Corriente de escritura baja - - (leer molestar) - +
Alto Δ + - (desglose) - - (corriente más alta)
Δ baja - - (leer molestar) + + (corriente más baja)

Si bien la compensación entre potencia y velocidad es universal para los dispositivos electrónicos, la compensación entre resistencia y retención a alta corriente y la degradación de ambos a baja Δ es problemática. La resistencia se limita en gran medida a 10 8 ciclos.

Alternativas a MRAM

Los ciclos de escritura limitados de Flash y EEPROM son un problema serio para cualquier función similar a la RAM. Además, la alta potencia necesaria para escribir las celdas es un problema en los nodos de baja potencia, donde a menudo se utiliza RAM no volátil. La energía también necesita tiempo para "acumularse" en un dispositivo conocido como bomba de carga , que hace que la escritura sea mucho más lenta que la lectura, a menudo tan baja como 1/1000 más rápida. Si bien MRAM fue ciertamente diseñado para abordar algunos de estos problemas, varios otros dispositivos de memoria nuevos están en producción o se han propuesto para abordar estas deficiencias.

Hasta la fecha, el único sistema similar que ha entrado en una producción generalizada es la RAM ferroeléctrica o F-RAM (a veces denominada FeRAM).

También están experimentando un renovado interés la memoria de óxido de silicio-nitruro-óxido-silicio ( SONOS ) y ReRAM . 3D XPoint también ha estado en desarrollo, pero se sabe que tiene un presupuesto de energía más alto que DRAM.

Historia

Primera oblea MRAM de 200 mm y 1 Mb, fabricada por Motorola , 2001
  • 1955 - La memoria de núcleo magnético tenía el mismo principio de lectura y escritura que MRAM
  • 1984 - Arthur V. Pohm y James M. Daughton, mientras trabajaban para Honeywell , desarrollaron los primeros dispositivos de memoria de magnetorresistencia.
  • 1984 - Se descubre el efecto GMR
  • 1988 - Los científicos europeos ( Albert Fert y Peter Grünberg ) descubrieron el " efecto magnetorresistivo gigante " en las estructuras de película delgada.
  • 1989 - Pohm y Daughton dejaron Honeywell para formar Nonvolatile Electronics, Inc. (luego renombrada como NVE Corp.) sublicenciando la tecnología MRAM que han creado.
  • 1995 - Motorola (que más tarde se convertiría en Freescale Semiconductor y posteriormente en NXP Semiconductors ) inicia el trabajo en el desarrollo de MRAM
  • 1996 - Se propone Spin Torque Transfer
  • 1998 - Motorola desarrolla un  chip de prueba MRAM de 256 Kb.
  • 2000 - IBM e Infineon establecieron un programa conjunto de desarrollo de MRAM.
  • 2000 - Primera patente Spin Torque Transfer del laboratorio Spintec .
  • 2002
    • NVE anuncia el intercambio de tecnología con Cypress Semiconductor.
    • Alternar patente otorgada a Motorola
  • 2003 - Se introdujo un chip MRAM de 128 kbit, fabricado con un proceso litográfico de 180 nm
  • 2004
    • Junio: Infineon presentó un prototipo de 16 Mbit, fabricado con un proceso litográfico de 180 nm.
    • Septiembre: MRAM se convierte en una oferta de productos estándar en Freescale.
    • Octubre: los desarrolladores taiwaneses de MRAM graban piezas de 1 Mbit en TSMC .
    • Octubre: Micron deja caer MRAM, reflexiona sobre otros recuerdos.
    • Diciembre: TSMC, NEC y Toshiba describen nuevas células MRAM.
    • Diciembre: Renesas Technology promueve una tecnología MRAM de alto rendimiento y alta confiabilidad.
    • Primera observación del laboratorio Spintech de conmutación asistida térmica (TAS) como enfoque MRAM.
    • Se funda Crocus Technology ; la empresa es un desarrollador de MRAM de segunda generación
  • 2005
    • Enero: Cypress Semiconductor toma muestras de MRAM, utilizando NVE IP.
    • Marzo: Cypress venderá la subsidiaria MRAM.
    • Junio: Honeywell publica la hoja de datos para MRAM rad-hard de 1 Mbit utilizando un proceso litográfico de 150 nm
    • Agosto - Registro MRAM: la celda de memoria funciona a 2 GHz.
    • Noviembre: Renesas Technology y Grandis colaboran en el desarrollo de MRAM de 65 nm que emplea transferencia de par de giro (STT).
    • Noviembre: NVE recibe una subvención SBIR para investigar la memoria criptográfica sensible a alteraciones.
    • Diciembre: Sony anunció el primer MRAM de transferencia de par de giro producido en laboratorio, que utiliza una corriente de giro polarizado a través de la capa de magnetorresistencia de túnel para escribir datos. Este método consume menos energía y es más escalable que el MRAM convencional. Con más avances en materiales, este proceso debería permitir densidades más altas que las posibles en DRAM.
    • Diciembre: Freescale Semiconductor Inc. demuestra un MRAM que utiliza óxido de magnesio, en lugar de óxido de aluminio, lo que permite una barrera de túnel aislante más delgada y una mejor resistencia de bits durante el ciclo de escritura, reduciendo así la corriente de escritura requerida.
    • El laboratorio Spintec otorga a Crocus Technology una licencia exclusiva sobre sus patentes.
  • 2006
    • Febrero: Toshiba y NEC anunciaron un chip MRAM de 16 Mbit con un nuevo diseño de "bifurcación de energía". Alcanza una tasa de transferencia de 200 Mbit / s, con un tiempo de ciclo de 34 ns, el mejor rendimiento de cualquier chip MRAM. También cuenta con el tamaño físico más pequeño de su clase (78,5 milímetros cuadrados) y el requisito de bajo voltaje de 1,8 voltios.
    • Julio - El 10 de julio, Austin Texas - Freescale Semiconductor comienza a comercializar un chip MRAM de 4 Mbit, que se vende por aproximadamente $ 25.00 por chip.
  • 2007
    • I + D avanzando hacia la RAM de par de transferencia de giro (SPRAM)
    • Febrero: la Universidad de Tohoku e Hitachi desarrollaron un prototipo de chip RAM no volátil de 2 Mbit que emplea conmutación de par de transferencia de giro.
    • Agosto: "IBM, socio de TDK en investigación de memoria magnética sobre cambio de par con transferencia de giro" IBM y TDK para reducir el costo y aumentar el rendimiento de MRAM para, con suerte, lanzar un producto al mercado.
    • Noviembre: Toshiba aplicó y probó la conmutación de par de transferencia de espín con un dispositivo MTJ de anisotropía magnética perpendicular.
    • Noviembre: NEC desarrolla el MRAM compatible con SRAM más rápido del mundo con una velocidad de funcionamiento de 250 MHz.
  • 2008
    • El satélite japonés, SpriteSat, utilizará Freescale MRAM para reemplazar los componentes SRAM y FLASH
    • Junio: Samsung y Hynix se asocian en STT-MRAM
    • Junio: Freescale se separa de las operaciones de MRAM como nueva empresa Everspin
    • Agosto: científicos en Alemania han desarrollado MRAM de próxima generación que se dice que funciona tan rápido como lo permiten los límites de rendimiento fundamentales, con ciclos de escritura de menos de 1 nanosegundo.
    • Noviembre: Everspin anuncia paquetes BGA , familia de productos de 256Kb a 4Mb
  • 2009
    • Junio: Hitachi y la Universidad de Tohoku demostraron una RAM de torque de transferencia de giro de 32 Mbit (SPRAM).
    • Junio: Crocus Technology y Tower Semiconductor anuncian un acuerdo para trasladar la tecnología de proceso MRAM de Crocus al entorno de fabricación de Tower.
    • Noviembre: Everspin lanza la familia de productos SPI MRAM y envía las primeras muestras de MRAM integradas
  • 2010
    • Abril: Everspin lanza 16Mb de densidad
    • Junio: Hitachi y Tohoku Univ anuncian SPRAM multinivel
  • 2011
    • Marzo: PTB, Alemania, anuncia un ciclo de escritura por debajo de 500 ps (2 Gbit / s)
  • 2012
  • 2013
    • Noviembre: Buffalo Technology y Everspin anuncian un nuevo SSD SATA III industrial que incorpora Spin-Torque MRAM (ST-MRAM) de Everspin como memoria caché.
  • 2014
    • Enero: los investigadores anuncian la capacidad de controlar las propiedades magnéticas de las nanopartículas antiferromagnéticas de núcleo / capa utilizando solo cambios de temperatura y campo magnético.
    • Octubre: Everspin se asocia con GlobalFoundries para producir ST-MRAM en obleas de 300 mm.
  • 2016
    • Abril: el jefe de semiconductores de Samsung, Kim Ki-nam, dice que Samsung está desarrollando una tecnología MRAM que "estará lista pronto".
    • Julio: IBM y Samsung informan sobre un dispositivo MRAM capaz de reducirse a 11 nm con una corriente de conmutación de 7,5 microamperios a 10 ns.
    • Agosto: Everspin anunció que enviaría muestras del primer ST-MRAM de 256 Mb de la industria a los clientes.
    • Octubre: Avalanche Technology se asocia con Sony Semiconductor Manufacturing para fabricar STT-MRAM en obleas de 300 mm, basándose en "una variedad de nodos de fabricación".
    • Diciembre: Inston y Toshiba presentan de forma independiente los resultados de MRAM controlado por voltaje en la Reunión Internacional de Dispositivos Electrónicos.
  • 2019
    • Enero: Everspin comienza a enviar muestras de chips STT-MRAM de 1 Gb de 28 nm
    • Marzo: Samsung comienza la producción comercial de su primer STT-MRAM integrado basado en un proceso de 28 nm.
    • Mayo: Avalanche se asocia con United Microelectronics Corporation para desarrollar y producir conjuntamente MRAM integrado basado en el proceso de fabricación CMOS de 28 nm de este último.
  • 2020
    • Diciembre: IBM anuncia un nodo MRAM de 14 nm
  • 2021
    • Mayo: TSMC reveló una hoja de ruta para desarrollar la tecnología eMRAM en el nodo de 12/14 nm como una oferta para reemplazar eFLASH.

Aplicaciones

La posible aplicación práctica del MRAM incluye prácticamente todos los dispositivos que tengan algún tipo de memoria en su interior, como sistemas aeroespaciales y militares, cámaras digitales , computadoras portátiles , tarjetas inteligentes , teléfonos móviles , estaciones base celulares, computadoras personales , reemplazo de SRAM con respaldo de batería , registro de datos. memorias especiales ( soluciones de caja negra ), reproductores multimedia y lectores de libros, etc.

Ver también

Referencias

enlaces externos